Auf der Suche nach der Turbulenz und nicht gefunden

Duke711

Freizeitschrauber(in)
Immer wieder lese ich von Turbulenz in einem Kühler, konnte bis jetzt aber noch keine ausfindig machen:


Update

Erst ab ~ 95 L/h geht die Strömung in den parallel Kanälen zur einer turbulenten Strömung über und eine volle entwickelte turbulente Strömung ensteht erst ab ~ 280 L/h. Somit kann bei den meisten System nicht von turbulenter Strömung sprechen und wie man sehen kann hängt maßgeblich die sinkene GPU Temperatur mit steigenden Durchfluss nicht von der nicht vorhandenen Turbulenz ab sondern von der sinkenden Temperaturdifferenz zwischen dem Wasser im Kühlereingang und Kühlerausgang. Bei gerade mal 10 L/h liegt diese bei 200 W über 13 K.

Somit gilt hier die gleiche Analogie wie bei den eines Wärmetauschers:

Q = A * k * dT
P = m/s * Cp * dT
oder

m/s_Wa * Cp_Wa * dT_Wa = m/s_Air * Cp_Air * dt_Air

Maßgeblich entscheidend ist also die Temperaturdifferenz, nicht das turbulente Übergangsgebiet, das spielt keine nenneswerte Rolle.
Auch kann man sehen, das auch bei einem GPU-Kühler ein Volumenstrom von mind. 60 L/h empfehlenswert ist.

Anbei Grafiken.


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Eine Turbulenz lässt sich einfach über die dimensionlose Reynoldszahl klassifizieren:


Reynolds-Zahl – Wikipedia


Wenn man einen Grafikkartenkomplettkühler genauer betrachtet, der sehr simpel aufgebaut ist:

Grafik 34 und 36

- Bereich Rohr Eingang; G1/4 Innengewinde, effektiver Öffnungsquerschnitt 8 mm
- Bereich Kanal 1
- Parallel Kanäle, es werden bis zu 34 Kanäle parallel angeströmt, somit teilt sich der Volumenstromen auf 34 Kanäle auf, d.h. bei einen Gesamtvolumenstrom von z.B. 120 L/h im Kreislauf, würde sich ein Teilvolumenstromen von ~ 3,5 L/h pro Kanal ergeben

Jetzt kann sehr einfach pro Abschnitt die Reynolds-Zahl errechnen, Beispiel Grafik 13.

Das habe ich jetzt mal gemacht

Bereich Rohr Eingang;

60 L/h // 2642
80 L/h // 3546
120 L/h // 5283
160 L/h // 7093
230 7h // 10133

Bereich Kanal 1

1328
2228
2656
3565
5093

Parallel Kanäle

498
668
966
1307
1876

kleiner als 2.300 gilt eine Ströming als Laminar.
> 2.300 bis 10.000 turbulentes Übergangsgebiet
Über 10.000 ist die Strömung turbulent bzw. es hat sich eine vollständige Turbulenz ausgebreitet.

Wie man sehen kann ist die Strömung in der parallelen Kanälen am laminarsten, von Tubulenz überhaupt keine Spur. Am turbulentesten ist übrigens die Einlasströmung.
Selbst wenn bei 230 L/h sich im Eingangsrohr schon eine volle Turbulenz ausgebildet hat, ist die Strömung in den Parallel-Kanälen immer noch laminar.

Aus diesen Grund hat übrigens praktisch der Durchfluss kaum eines nenneswerten Einfluss auf die Kühlleistung, wie man z.B: bei einem CPU Kühler erkennen kann:

https://www.computerbase.de/forum/attachments/kennliniedtddc-jpg.627341/

Bei einer vollausgebildeten Turbulenz würde übrigens proportional mit den Volumenstrom die Kühlleistung steigern. Das ist z.B: von 60 auf 120 L/h definitiv nicht der Fall. Aus diesem Grund hat die Oberflächenbeschaffenheit (rau/glatt) eben Falls keinen Einfluss auf die Kühlleistung.

Ich werde folgendes Diagramm

https://www.computerbase.de/forum/attachments/kennliniedtddc-jpg.627341/

aber noch mal für den Grafikkartenkühler um den es hier geht erstellen und ebenfalls für den Alphacool Eisblock XPX


Also lasst es mich wissen, wo habt ihr die angebliche Turbulenz gefunden oder wie habt ihr diese festgestellt und klassifiziert, bin auf Anworten gespannt?


Update folgt....

Update:

Der Alphacool Eisblock XPX ist eingetroffen.
 

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kleiner als 2.300 gilt eine Ströming als Laminar.
> 2.300 bis 10.000 turbulentes Übergangsgebiet
Über 10.000 ist die Strömung turbulent bzw. es hat sich eine vollständige Turbulenz ausgebreitet.
Gilt für gerade Rohre mit kreisförmigem Querschnitt. Jede Abweichng von dieser Geometrie kann den Übergang zur Turbulenz zu niedrigeren/höheren Reynolds Zahlen hin verschieben. Wenn man das für einen Kühler genau wissen wollte müsste man es vermutlich mit einer geeigneten Methode simulieren. DNS bietet sich an da Re insgesamt recht niedrig ist.
So aus der Hüfte heraus würde ich aber sagen dass die Kühler nicht auf eine turbulente Strömung angewiesen sind, und dementsprechend so ausgelegt dass auch ohne turbulente Durchmischung ausreichend Wärme übertragen wird.
 
Was anderes als DNS würde sich auch nicht anbieten, da ich ansonsten einzelne Bereiche in Laminar Zone einteilen müsste, und dann würde es eine ziemliche Kaffesatzleserei.
 
Die Verarbeitungsqualität vom Alphacool Eisblock XPX lässt zu wünschen übrig:

Verbogene Fins, ein besonderes Kühlkonzept lässt sich nicht erkennen, alt bekanntes.
 

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Gleiches Spiel:

Bereich A

60 L/h // 2642
80 L/h // 3546
120 L/h // 5283
160 L/h // 7093
230 L/h // 10133

Bereich B, was auch als "Düse" bezeichnet wird

60 L/h // 1982


Bereich C:

60 L/h // 160
380 L/h // 1200

Auch hier geht wieder keine Turbulenz von den Rechteckkanälen aus. Bei der "Düse" allerdings bilden sich wie beim Eingangsrohr ab 60 L/h schon kleine Turbulenzen aus, turbulentes Übergangsgebiet. Was ich noch vergessen habe zu erwähnen, auch bei Rechteckkanälen mit einem Querschnittsverhältnis von bis zu 10, verhält sich die Strömung bis ~ 2000 laminar. Einziger unterschied zum Kreisrohr ist die turbulente Übergangsphase, hier hat sich ab ~ 3500 schon eine volle Turbulenz entwickelt.
Die Rohrrauhigkeit hat bei Mikrokanälen übrigens erst ab k/d > 6% einen Einfluss, vorher nicht.
 

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